O+P Fluidtechnik 5/2021

WIRBELROHR DER

WIRBELROHR DER WIRBELROHREFFEKT WIE DRUCKLUFT EINE ENORME KÜHLLEISTUNG ERREICHT PRODUKTE UND ANWENDUNGEN Ein bis heute faszinierendes physikalisches Phänomen macht sich das Wirbelrohr zu Nutze. Unter Anwendung gewöhnlicher Druckluft als Energiequelle erzeugt ein Wirbelrohr zwei Luftströme, ein heißer und ein kalter. Das Volumen und die Temperatur dieser beiden Luftströme sind mit einem Ventil an der Heißluftseite regelbar. Temperaturen von -46°C und 127°C sind möglich. Zum Einsatz kommt das Wirbelrohr als zuverlässige und kostengünstige Alternative für eine Vielzahl von industriellen punktuellen Kühlaufgaben. Das Wirbelrohr respektive der Wirbelrohreffekt wurde bereits 1928 durch den französischen Physikstudenten George Ranque entdeckt und 1933 publiziert. Allerdings scheiterte Ranque an der kommerziellen Vermarktung. Erst der deutsche Physiker Rudolph Hilsch verhalf dem Wirbelrohr mit einer ersten systematischen wissenschaftlichen Abhandlung im Jahr 1945 — basierend auf Ranques Entdeckung — zur erneuten Beachtung. Bereits viel früher konstatierte James Clerk Maxwell, ein großer Physiker des 19. Jahrhunderts: „wenn Hitze dazu führt, dass Moleküle in Bewegung geraten, dann müssten wir eines Tages auch in der Lage sein, von dem selben Gerät heiße und kalte Luft mit Hilfe eines „kleinen freundlichen Dämons“ zu erhalten, der die heißen und kalten Moleküle aussortiert und separiert.“ Vor diesem historischen Hintergrund ist das Wirbelrohr (im Englischen Vortex Tube) auch unter verschiedenen Namen bekannt, wie „Ranque Vortex Tube“, das „Hilsch Tube“, das „Ranque-Hilsch Tube“ und „Maxwell’s Dämon“. WIE EIN WIRBELROHR FUNKTIONIERT Die Einsatzbereiche eines Wirbelrohres sind sehr vielseitig in der industriellen Anwendung und reichen vom Kühlen während der Verarbeitung, Kühlen von Teilen, von Kammern, von Laborproben bis hin zum Testen von Schaltkreisen. Die Funktionsweise des Wirbelrohres wird heute i.d.R. folgendermaßen erklärt (Bild 01): Ein Druckluftstrom wird mit 5,5 bis 7 bar tangential durch einen Generator in die Wirbelkammer getrieben und dadurch in eine schnelle Rotation versetzt. Mit bis zu 1 Mio. Umdrehungen pro Minute dreht sich dieser Luftstrom zum heißen Ende hin, an dem einiges von diesem Luftstrom durch ein Steuerventil entweicht. Die verbleibende, sich weiterhin drehende Luft, wird durch das Zentrum des äußeren Wirbels zurückgezwungen. Der innere Strom gibt die kinetische Energie in Form von Hitze an den äußeren Luftstrom ab und tritt am Wirbelrohr als Kaltluft aus. Der äußere Luftstrom tritt am anderen Ende als Heißluft aus. Das Einstellen eines Wirbelrohres ist leicht. Einfach ein Temperaturmessgerät in den Kaltluftstrom halten und die gewünschte Temperatur mittels des Ventils am heißen Ende einstellen. Dabei reduziert das Öffnen des Ventils den Kaltluftstrom und die Temperatur der kalten Luft. Demzufolge steigert das Schließen des Ventils den Kaltluftstrom und damit die Temperatur der kalten Luft. 28 O+P Fluidtechnik 2021/05 www.oup-fluidtechnik.de

WIRBELROHR 01 02 01 Die Funktionsweise eines Wirbelrohrs 02 Mit dem Mini-Kühler-System Modell 3808J wird die Abnutzung von Schlitzwerkzeugen verhindert LEISTUNG UND EINFLUSSFAKTOREN Die Eputec Drucklufttechnik GmbH bietet insgesamt drei verschiedene Wirbelrohrgrößen mit bis zu zehn Generatoren und weiteres Zubehör wie Flexschläuche, Schalldämpfer oder Magneten an. Jede Größe kann einen bestimmten Luftdurchfluss erzeugen, der durch den Generator bestimmt wird. Der amerikanische Hersteller der Edelstahl-Wirbelrohre vom Typ Exair gibt als Spanne seiner Wirbelrohre Temperaturen von -46°C und +127°C, Durchflussraten von 28 bis 4 248 l/min. und eine Kälteleistung bis zu 2 570 Kcal/hr. bzw. 2 985 Watt an. Die Leistung eines Wirbelrohres wird zudem von weiteren Faktoren wie dem Gegendruck am Kaltluftende bestimmt. Ein Gegendruck von 0,3 bar verändert bereits die zu erzielende Leistung um 2,8°C. Die Eingangsdrucklufttemperatur ist ein weiterer Faktor, denn die vom Wirbelrohr zu erzeugende Temperaturdifferenz steht in Abhängigkeit zur Temperatur der einfließenden Druckluft. Eine veränderte Eingangstemperatur wird demnach eine entsprechend veränderte Kaltlufttemperatur erzeugen. Ein Beispiel aus der Produktpalette von Eputec ist der Mini-Kühler (Mini Cooler). Der Mini-Kühler ist ein Punktkühler, mit dem sich bei einer Vielzahl von Kleinteil-Vorgängen, bei denen Wärme ein Problem darstellt, nachweislich die Ausfallzeit reduzieren und die Produktivität erhöhen lässt. Der Mini-Kühler von Exair erzeugt einen Strahl kalter Luft von -7°C zur Vermeidung von Wärmestau. Der Mini-Kühler ist insbesondere effektiv bei Hochgeschwindigkeitsvorgängen zum Schutz vor Brand, Schmelzen und Bruch. Der Betrieb des Punktkühlers ist leise (76 dBA), und es gibt keine beweglichen Teile, die sich abnutzen könnten. Ein flexibler Schlauch leitet den kalten Luftstrom auf die zu kühlende Oberfläche. Ein weiteres Produktbeispiel aus dem Eputec-Portfolio, das mit der Wirbelrohrtechnik arbeitet, ist der regelbare punktuelle Kühler (Adjustable Spot Cooler). Der regelbare Punktkühler ist leise (weniger als 75 dBA), mit einem Thermometer einfach eingestellt und hält die eingestellte Temperatur. Er ist ideal für punktuelle Anwendungen wo Sprühnebel- oder Flüssigkeitskühlung, aufgrund der Kosten oder unerwünschter Teileverschmutzung, nicht möglich ist. Der Spot Cooler ist entweder mit einem Einspitzen- oder mit einem Zweispitzenschlauchsatz erhältlich. Das Einspitzenschlauchsystem (Modell 3825J) wird zur Punktkühlung von kleinen Oberflächen wie Lötstellen, Schmelzklebstoffen oder Kunststoffbohrungen eingesetzt. Der Zweispitzenschlauchsatz (Modell 3925J) wird empfohlen, wenn Hitze an einer größeren Oberfläche entsteht. Der regelbare punktuelle Kühler bietet eine präzise Temperatureinstellung von -34°C bis Raumtemperatur. Die kalte Luft wird durch flexibles Schlauchmaterial geleitet, das seine Position beibehält. Ein Drehmagnetfuß ermöglicht die einfache Montage und Tragbarkeit. Ein wartungsfreier Betrieb ist gewährleistet, da FCKW-frei und keine beweglichen Teile im Einsatz sind. Um den regelbaren Punktkühler gleichzeitig mit der Maschine einzuschalten, kann ein Magnetventil verwendet und mit dem Bedienschalter verdrahtet werden. Bilder: Eputec Drucklufttechnik www.eputec.de FÜR JEDE ANWENDUNG DAS PASSENDE WIRBELROHR Prozessautomation • Druckluftaufbereitung • Ventiltechnik • Proportionaldruckregler • Pneumatikzylinder • pneumatische Verbindungstechnik • elektrische Achsen • elektrische Zylinder Plug and Play Lösungen, wie kundenspezifische Baugruppen, inklusive technischer Dokumentation pneumax-gmbh.de